用于燃料電池汽車的新型熱管理系統(tǒng)

來源|Journal of Cleaner Production

01

背景介紹

電動汽車 (EV)，包括純電動汽車 (BEV) 和燃料電池汽車 (FCV)，被認為是汽車應(yīng)用中實現(xiàn)零碳排放和新能源利用的有前途的解決方案。盡管 BEV 技術(shù)和市場化的持續(xù)高速發(fā)展，但 FCV 的技術(shù)發(fā)展具有強大的動力，主要是因為它們在行駛距離和充電時間方面優(yōu)于BEV；在眾多類型的燃料電池 (FC) 中，質(zhì)子交換膜 (PEM) 燃料電池 (PEMFC) 之所以受到青睞，主要是因為它們的工作溫度低（約 80 °C），可以使車輛快速啟動。

PEMFC在發(fā)電的同時，會產(chǎn)生幾乎等量的熱量，這些熱量需要從PEMFC中釋放出來，否則可能會發(fā)生熱失控。適當?shù)纳郎貢纳齐娀瘜W(xué)反應(yīng)的動力學(xué)，但過熱不僅會使膜脫水，降低質(zhì)子電導(dǎo)率，還會大大加劇膜和催化劑的降解，造成不可逆的性能損失和PEMFC的損壞。考慮到電化學(xué)反應(yīng)、水平衡和氣體傳輸，PEMFC 的合適工作溫度范圍在 60 °C 和 80 °C 之間。因此，熱管理系統(tǒng) (TMS) 對于 FCV 燃料電池堆 (FCS) 的正常運行至關(guān)重要；此外，輔助動力電池、電動機、電子元件、機艙空氣和供應(yīng)給 PEMFC 的壓縮空氣都需要合適的冷卻和加熱回路。為燃料電池汽車設(shè)計一個綜合熱管理系統(tǒng)（ITMS）是一個重要的問題。

與純電動汽車和內(nèi)燃機（ICE）汽車（ICEV）不同，燃料電池汽車在 ITMS 布局方面面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)。由于鋰離子電池的效率高于 PEMFC，BEV 釋放的熱量遠低于 FCV。與BEV和FCV相比，ICEV的發(fā)熱量最大；然而，大量的熱量被 ICE 廢氣帶走，而對于 FCV，大部分熱量去除應(yīng)由 PEMFC 冷卻劑回路處理，因為廢氣和水傳輸?shù)臒崃靠梢院雎圆挥?。此外，PEMFC 的散熱器和環(huán)境空氣之間的可用溫差遠低于 ICE，因為 PEMFC 在低得多的溫度下運行。所以，F(xiàn)CV 需要具有更大表面積的散熱器來去除與 ICEV 相當?shù)臒崃俊＿@些要求增加了燃料電池汽車熱管理設(shè)計的難度。

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成果掠影

近期，中國科學(xué)院廣州能源研究所蔣方明團隊提出了一種采用熱峰調(diào)節(jié)器的新型熱管理系統(tǒng)。

熱峰調(diào)節(jié)器是一個充滿相變材料的蓄熱器，分別與燃料電池冷卻劑和空調(diào)進行熱交換制冷劑。在熱峰出現(xiàn)時暫時接收散熱器無法釋放的多余熱量；稍后，當熱峰消失時，熱量將傳遞給制冷劑以將其從冷凝器中帶走?；陂_發(fā)的熱模型的系統(tǒng)仿真表明，這種新型熱管理系統(tǒng)可以消除或有效削弱燃料電池堆的熱失控，這取決于填充熱峰值調(diào)節(jié)器的相變材料的量。在本研究中，在標準化的新歐洲駕駛循環(huán)中，135 秒和 250 秒的熱失控持續(xù)時間可以分別縮短為 0 秒和 105 秒以及 38 °C 夏季天氣下的全球協(xié)調(diào)輕型測試循環(huán)，后者的最高溫度可從 89 °C 降至 83 °C。這項工作可以為解決燃料電池汽車的熱管理問題做出重大貢獻。

研究成果以“A novel thermal management system with a heat-peak regulator for fuel cell vehicles”為題發(fā)表于《Journal of Cleaner Production》。

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圖文導(dǎo)讀

圖1 一種新型的燃料電池汽車熱峰調(diào)節(jié)器集成熱管理系統(tǒng)。

圖2 “時變”熱管理方法及HPR功能示意圖。

圖3 前部換熱器的串聯(lián)布置及其之間的熱干擾。

圖4 單個電池的電壓輸出（Vcell）和功率密度（Pcell = Vcelli）隨電流密度(i)而變化。

圖5 (a) NEDC和(b) WLTC駕駛周期中的瞬時車速(u)和運動功率（PM）。

圖6 在(a) NEDC和(b) WLTC驅(qū)動周期中，基于車輛運動功率（PM）的FCS（PFCS）和LIB（PLIB）之間的瞬時功率輸出分布。

圖7 在(a) NEDC和(b) WLTC驅(qū)動周期中的瞬時座艙熱負荷（Qcab）。

圖8 在Tamb = 38℃下的(a) NEDC和(b) WLTC驅(qū)動循環(huán)中，有無HPR的FCS和機艙空氣溫度的時間變化。同時還繪制了FCS發(fā)熱（QFCS）、客艙熱負荷（Qcab）和與車速(u)疊加的PCU發(fā)熱（QPCU）。

END

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審核編輯黃宇